The reproducible preparation of well diffracting crystals is a prerequisite for every structural study based on crystallography. An instrument called the XtalController has recently been designed that allows the monitoring of crystallization assays using dynamic light scattering and microscopy, and integrates piezo pumps to alter the composition of the mother liquor during the experiment. We have applied this technology to study the crystallization of two enzymes, the CCA-adding enzyme of the psychrophilic bacterium Planococcus halocryophilus and the hen egg white lysozyme in the presence of a synthetic chemical nucleant. We were able to i) detect early nucleation events and ii) drive the crystallization system (through cycles of dissolution/crystallization) towards growth conditions yielding crystals with excellent diffraction properties. This technology opens a way to the rational production of samples for crystallography, ranging from nanocrystals for electron diffraction, microcrystals for serial or conventional X-ray diffraction, to larger crystals for neutron diffraction.

Abstract The mitochondrial genome of the nematode Romanomermis culicivorax encodes for miniaturized hairpin-like tRNA molecules that lack D- as well as T-arms, strongly deviating from the consensus cloverleaf. The single tRNA nucleotidyltransferase of this organism is fully active on armless tRNAs, while the human counterpart is not able to add a complete CCA-end. Transplanting single regions of the Romanomermis enzyme into the human counterpart, we identified a beta-turn element of the catalytic core that – when inserted into the human enzyme - confers full CCA-adding activity on armless tRNAs. This region, originally identified to position the 3’-end of the tRNA primer in the catalytic core, dramatically increases the enzyme’s substrate affinity. While conventional tRNA substrates bind to the enzyme by interactions with the T-arm, this is not possible in the case of armless tRNAs, and the strong contribution of the beta-turn compensates for an otherwise too weak interaction required for the addition of a complete CCA-terminus. This compensation demonstrates the remarkable evolutionary plasticity of the catalytic core elements of this enzyme to adapt to unconventional tRNA substrates.

The rapid preparation of homogeneous suspensions of micro- or nanocrystals is a crucial step in serial crystallography. We show how additives, such as the crystallophore (TbXo4) that acts as a molecular glue by promoting protein–protein interactions, can facilitate sample preparation for both serial synchrotron crystallography (SSX) and micro electron diffraction (3D ED). This lanthanide complex was used here for its nucleating properties to crystallize the hen egg-white lysozyme. SAXS monitoring indicates that crystals grew in a few minutes under low salt conditions, which would not lead to spontaneous nucleation in the absence of TbXo4. Resulting micro- and nanocrystals were successfully used to determine the structure of the lysozyme-TbXo4 complex by SSX and 3D ED, illustrating the diffraction quality of the produced crystals and the usefulness of such compounds in the sample preparation pipeline for serial crystallography.

ABSTRACT The rapid preparation of homogeneous suspensions of micro- or nano-crystals is a crucial step in serial crystallography. We show how additives, such as the crystallophore (TbXo4) that acts as a molecular glue by promoting protein-protein interactions, can facilitate sample preparation for both serial synchrotron crystallography (SSX) and micro electron diffraction (3D ED). This lanthanide complex was used here for its nucleating properties to crystallize hen egg white lysozyme. SAXS monitoring indicates that crystals formed in a few minutes in low salt conditions that would not lead to spontaneous nucleation. Resulting micro- and nano-crystals were successfully used to determine the structure of the lysozyme-TbXo4 complex by SSX and 3D ED, illustrating the diffraction quality of the produced crystals and the usefulness of such compounds in the sample preparation pipeline for serial crystallography.